Surse de tensiune inteligente

30 APRILIE 2015

Există câteva aplicaţii abordate prin electronică integrată care nu necesită o formă de stabilizare a tensiunii de alimentare, cum este de exemplu cazul unei surse simple de curent/tensiune faţă de o soluţie mai sofisticată şi optimizată.

Totuşi, dacă există o preocupare crescută pentru randament la orice nivel, devine uzuală extinderea simplului către includerea unei forme de inteligenţă. Chiar şi un algoritm de control relativ nesofisticat poate prezenta avantaje de performanţă precum un consum energetic redus, cât timp, cu puţin efort, orice dispozitiv poate acum include mai multe funcţii avansate, ca de exemplu urmărirea puterii maxime, încărcare îmbunătăţită a bateriei, parametrii de conştientizare asupra mediului şi creşterea toleranţei la erori.
Acesta este un scenariu perfect pentru microcontrolere economice, chiar şi cel mai mic dispozitiv este acum suficient de puternic pentru a executa algoritmi complecși, furnizând în acelaşi timp interfeţe om-maşină. Capabilitatea de a găzdui câteva forme de interfeţe de comunicaţie standardizată, precum SMbus, LIN sau Ethernet adaugă un nou nivel de valoare.

de: Joseph Julicher, Engineering Manager, MCU08 Applications, Microchip Technology Inc.

Riscuri şi avantaje

O metodă de “risc redus” pentru a face alimentarea mai inteligentă este monitorizarea simplă a sursei utilizând un MCU şi retransmiterea parametrilor pe care-i măsoară către un sistem de rezervă printr-o formă de interfaţă de comunicaţie. Această abordare necesită un minim de componente adiţionale şi de efort de proiectare; în mod uzual restricţionate la adăugarea câtorva metode de detecţie a tensiunii, curentului şi poate a temperaturii.

Figura 1

Monitorizarea altor parametri, precum factorul de umplere sau frecvenţa de alimentare vor permite un control mai sofisticat asupra caracteristicilor specifice în cazul alimentării cu energie electrică, inclusiv asupra nivelelor de tensiune.
Există un număr de ASSP-uri pentru surse de tensiune în comutaţie (ASSP – application-specific standard product – produs standard specific aplicaţiei) care oferă o metodă de modificare a funcţionalităţii pe baza deciziilor luate prin măsurarea parametrilor critici. Această metodă oferă o cale simplă de creştere a randamentului şi este o sarcină ce poate fi gestionată de o gamă largă de microcontrolere; interfeţele seriale permit efectiv unui MCU să modifice funcţionalitatea sursei de tensiune pe baza parametrilor monitorizaţi.
Un alt avantaj al acestei abordări este acela că însăşi sursa de tensiune rămâne sub controlul ASSP al SMPS (switch mode power supply – sursă de tensiune în comutaţie), ceea ce înseamnă că echipa de proiectare nu trebuie să aibă cunoştinţe specifice de proiectare a surselor de tensiune dincolo de înţelegerea parametrilor disponibili a fi modificaţi, şi efectul acestora; teoria controlului cheie rămâne domeniul inginerilor SMPS.
Următorul pas pe calea implementării – unul care oferă economii potenţiale în ceea ce priveşte costurile – este de a integra SMPS ASSP şi funcţio­nalitatea MCU într-un singur dispozitiv. Este din ce în ce mai posibil să se facă acest lucru cu un MCU de înaltă performanţă integrat cu un convertor analog/digital rapid; o abordare care permite o implantare software, complet digitală. Desigur că această abordare implică necesitatea unei

Figura 2

experienţe mai mari de proiectare a surselor de tensiune în comutaţie, iar performanţa globală va fi funcţie de câtă putere de procesare poate furniza microcontrolerul (adesea limitată de cerinţele de putere la nivelul sistemului).

Abordarea hibridă

O medie între cele două scenarii descrise mai sus este ceea ce se poate numi o abordare hibridă. În acest caz, un controler de semnal mixt ce integrează perifericele analogice necesare este complet integrat. Un astfel de dispozitiv este PIC16F753. Acest dispozitiv dispune de un amplificator operaţional, un compensator de pantă, un convertor digital – analog, comparatoare şi un controler PWM într-un singur MCU cu 14 pini.
Fiecare periferic este programabil, permiţându-le să fie asociate într-o varietate de modalităţi de a crea un număr mare de surse de tensiune de mod curent. De vreme ce ele sunt controlate software, configuraţia este dinamică, permiţându-i să se adapteze condiţiilor schimbătoare ale surselor de tensiune. Acest lucru ar putea face ca dispozitivul să fie configurat pentru a opera ca un controler de histerezis printr-o simplă modificare firmware în starea de aşteptare a procesului pe baza rezultatelor, dar permiţând sursei să fie rapid reconfigurată pentru mod curent continuu la diferite frecvenţe de ope­rare atunci când este necesară mai multă putere.
Deoarece controlul alimentării se află complet în cadrul MCU, nu este nevoie de nicio componentă suplimentară pentru a fi adăugată mai târziu în ciclul de proiectare, ceea ce aduce avantajul simplificării proiectării şi a reducerii numărului de componente. Mai mult, după cum soluţia este complet integrată în firmware, parametrii sursei de alimentare sunt total vizibili fără o schimbare semni­ficativă a procesului de proiectare, în timp ce interfaţarea cu comunicaţia şi partea de inteligenţă poate fi dezvoltată şi verificată de către echipa de ingineri proiectanţi de surse de tensiune.
În figura 1 este prezentată o sursă de tensiune tipică bazată pe PIC16F753; majoritatea imple­mentărilor reprezintă variaţii minore ale unei configuraţii uzuale SMPS. Generatorul de ieşire complementar (Complementary Output Generator) produce, după cum îi spune şi numele, o ieşire complementară cu o bandă moartă programabilă între intrările de creştere şi descreştere, cât timp CCP este configurat să producă un front crescător cu frecvenţă programabilă.
Comparatorul C produce frontul descrescător atunci când curentul depăşeşte ieşirea compensatorului de pantă. CCP şi C pot fi combinate pentru a crea un factor de umplere maxim, care este necesar unor topologii precum ridicător de tensiune (boost), flyback şi SEPIC. Amplificatorul ope­raţional OPA este utilizat pentru a oferi reacţie şi compensare, în vreme ce convertorul digital-analog DAC este utilizat pentru a oferi o referinţă amplificatorului operaţional (dacă nivelele de programare nu sunt necesare, poate fi utilizată o referinţă de tensiune fixă FVR).
Compensatorul de pantă poate fi reiniţializat de comparatoare sau de COG şi utilizează un radiator de curent programabil pentru a descărca un condensator preîncărcat (în acest caz, nivelul de încărcare este stabilit de OPA).

Figura 3

Figura 4

Figura 5

Aceasta este o configuraţie relativ simplă, iar figura 2 prezintă un exemplu de operare a sa, ca sursă ridicătoare de tensiune stabilizând un curent pentru un şir de LED-uri. Diagramele din figurile 3, 4 şi 5 prezintă diverse nivele de inteligenţă ce pot fi adăugate configuraţiei care să permită dezvoltarea unei game largi de aplicaţii ţintă.

Concluzii

Adăugarea de inteligenţă unei surse de tensiune aduce avantaje numeroase. Atingerea acestui ţel se poate face simplu, prin adăugarea unui MCU, sau mai complex prin utilizarea unei soluţii complet integrate şi mai performante, precum un dsPIC de înaltă performanţă sau un MCU de semnal mixt care integrează toate performanţele şi perifericele necesare pentru a realiza o sursă de tensiune în comutaţie pe un singur cip.
Indiferent cum este implementată, alimentarea inteligentă are potenţialul de a avea un impact semnificativ în operarea dispozitivului electric şi – mai important – în randament. Cu ajutorul soluţiilor moderne înalt integrate, performante şi econo­mice, adăugarea de inteligenţă este oportună ■

Microchip Technology
www.microchip.com

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre